礦井帶式輸送機液壓自動控制系統的設計及應用

鐘曉銳

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

在礦井開采過程中，礦山設備極其關鍵，帶式輸送機作為礦井運輸物料及煤炭的設備，其工作性能在很大程度上制約著煤炭資源的開采。隨著開采量的不斷加大，目前我國的帶式輸送機逐步朝著大運距、大容量、高速度的方向發展，單條帶式輸送機的運輸距離已經達到10 km，運量也超過5000 t/h。在帶式輸送機運行過程中，由于工況環境及運載質量等因素的影響，使得其在運輸過程中極不穩定，常常出現膠帶斷裂、跳帶等問題，所以設計一款液壓張緊自動控制系統十分重要[1]。本文通過分析帶式輸送機不同工況下的張緊力，設計了帶式輸送機液壓張緊自動控制系統，為帶式輸送機高效運行提供保障。

1 液壓張緊系統設計

張緊系統的使用十分廣泛，其在帶式輸送機中的應用十分重要，但目前現有的張緊裝置存在響應速度慢和張力低等問題，無法滿足現階段礦井運輸要求，所以設計了一種液壓張緊自適應控制系統，其通過采用液壓張緊系統能夠對張緊力進行實時調整，從而解決張緊裝置響應速度慢及張力低的問題。

1.1 工作原理

液壓張緊系統由液壓系統產生液壓油在缸內形成壓力，從而通過氣缸的鋼絲繩對帶式輸送機傳輸牽引張力，同時系統內部設置PLC 控制端，其通過接收傳感器傳輸的運行數據進行實時分析，從而達到根據輸送機操作條件調節張力的作用。液壓張緊系統具有控制精度高、響應速度快，信號處理靈活等優點，適用于高負載運行。

1.2 系統組成

液壓張緊系統由多個部分組建而成，其中較為主要的有電氣系統、液壓系統等，通過系統本身的PLC控制端及機械、液壓、電氣間的轉換，實現由集中控制箱控制不同張力信號，同時系統給出控制信號，實現機械及液壓部件的自動控制。液壓系統作為張緊系統中最為復雜的部分，其由不同的元件及部分組合而成，其中最為主要的有液壓泵站、換向閥等[2]。液壓泵站模型圖如圖1 所示。

圖1 液壓泵站模型圖

液壓油箱的設計選用帶有呼吸氣囊和呼吸閥的閉式設計油箱，避免油液與污濁空氣進行接觸，保證油液的清潔。泵站采用集成閥塊，通過疊加布置形式保證后期拆裝方便。油箱選用316L 型不銹鋼進行制作，同時設置護罩，適應礦井惡劣的工況環境。在油箱的下部設置蓄能器，有效降低占地面積。在油箱內設有加熱器，確保在低溫情況下仍能正常運行。

比例溢流閥是液壓系統最重要的元件，通過控制器控制比例溢流閥，起到調節油壓，自動調節張力的作用。比例溢流閥設計為錐形閥，通過比例電磁鐵進行驅動，電磁鐵充滿油并連接至端口時，當油量較少時仍能保證恒定運行，同時通過調節放大控制壓力實現電磁鐵的電流調整。比例溢流閥通過改變放大板上的指令值調節系統壓力。當指令變化值發生變化時，此時放大板會改變PWM（脈寬調制），實現電磁鐵的電流控制，比例電磁鐵會將電流轉為機械能，再通過電樞直接作用于彈簧上，達到自動控制。

液壓泵選擇軸向柱塞變量泵，液壓泵的參數可以根據液壓系統需要的張力進行計算獲得，通過選用這種液壓泵可以達到輸出流量與輸出速度及泵排量的比例關系。輸出流量可以從零到最大值無級調節，同時采用模糊控制及PID 控制，使液壓張緊速度更快且更穩定。馬達同樣選擇軸向柱塞定量馬達，其適用于移動機械，隨著高壓側與低壓側的壓力差而調節扭矩，其結構較為緊湊，啟動扭矩效率高。

基于帶式輸送機張緊系統的驅動系統過程的特性，選擇液壓張緊系統的電氣元件，電氣系統是帶式輸送機液壓張緊自動控制系統的重要組成部件。在進行電氣系統設計時，需要考慮防爆特性，設計一款防爆型控制箱，控制箱的內部主要由觸摸屏、輸入輸出繼電器、電機保護、接觸器以及電源組成。其中控制箱中PLC 為關鍵元件，其主要用于采集傳感器的數據，如溫度、速度、電壓等參數。根據收集反饋的數據對液壓站電機、比例閥、電磁閥進行控制，同時通過對皮帶發出控制作用，從而達到控制皮帶的作用。電控系統控制框架如圖2 所示。

圖2 電控系統控制框架圖

控制箱由于在井下進行工作，其處于易燃易爆粉塵中，選定防爆殼體，在控制箱的內部面板上設計多個按鈕控制張緊系統，控制面板上帶有液晶顯示屏，實時觀察及監測帶式輸送機的運行情況及運行參數情況。PLC 為控制箱的核心，本文綜合考慮后選定S7-1200 型控制器，其具有如下優點：指令處理速度快，能夠滿足高需求；集成多種通信接口，如PROFIBUS、MPI；具有高速計算輸出模塊及伺服定位控制I/O 模塊；能夠自行組態，可以根據操作人員要求進行選擇安裝；硬件設計較為緊湊，節省控制柜的空間；集成的PROFINET 接口能夠用于PLC 的編程，HMI 通信。接口配置專用的RJ45 連接器，能夠提升數據傳輸速率，同時能夠支持多種協議如TCP/IPnative、S7 通信等[3]。

控制箱的液晶顯示器選用TPC7062Ti 觸摸屏，顯示器與控制器通過以太網進行連接，可以監控張緊系統的各個參數，同時將部分重要的張緊數據附加于PLC，使得張緊系統能夠更好地解決帶式輸送機出現的情況。液晶顯示器設置界面如圖3 所示。

圖3 液晶顯示器設置界面圖

TPC7062Ti 觸摸屏屬于MCGS 嵌入版，主要顯示由PLC 對現場采集的數據，同時用于監測設備數據和狀態。觸摸屏能夠與其他硬件設備進行連接，同時TPC7062Ti 擁有先進的Cortex-A8 CPU。顯示屏主要應用了TFT 液晶顯示屏，搭配四線電阻式觸摸屏，分辨率為4096×4096，并且裝配了專用的MCGS 嵌入式組態工具。內部設置有參數設置窗口，對不同帶式輸送機工況下的參數進行調整。

2 仿真模擬研究

對于液壓系統的性能進行仿真分析，采用Matlab進行液壓系統的性能分析，對于液壓系統進行仿真分析可以觀察系統穩定性。液壓系統穩定性非常重要，不穩定的系統無法應用。液壓系統仿真階躍響應曲線如圖4 所示。

圖4 仿真階躍響應曲線

從圖4 可以看出，液壓系統的單位階躍響應初始時間為0.66 s，此時系統輸出張力，響應速度較快，同時經過8.52 s 時，系統能夠穩定輸出張力1.36 kN，系統達到穩定。所以設計的液壓張緊系統穩定性較好，能夠滿足礦井生產需求，可以應用于礦井帶式輸送機[4]。

3 應用效果分析

對設計的帶式輸送機液壓張緊自適應系統進行應用，輸送機的運輸長度為2400 m。由于原有的機械張緊方式張緊力低、張緊距離短造成的打滑等問題，因此，對張緊裝置進行設計。設計型號為DYL-01-6/15 自動控制液壓張緊裝置，目前最大的張緊行程可以達到8000 mm，最大張緊力能夠達到150 kN。張緊裝置目前已經使用一年的時間，帶式輸送機運行良好，并未再出現打滑等現象，滿足運輸需要。